OpenZR+ 400G數(shù)字相干光模塊——為多種長(zhǎng)距離傳輸應(yīng)用而生

  前言

  為了在控制好資本支出和運(yùn)營(yíng)成本的前提下同時(shí)支撐不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商面臨著持續(xù)的挑戰(zhàn)，光網(wǎng)絡(luò)器件也在不斷迭代，而這些迭代是以技術(shù)的進(jìn)步為前提的。在光網(wǎng)絡(luò)中，這些進(jìn)步有時(shí)以新技術(shù)的形式出現(xiàn)，例如密集波分復(fù)用(DWDM)或相干檢測(cè)。在其他情況下，這些進(jìn)步是逐步的，從摩爾定律、集成光子學(xué)，到更高帶寬的組件技術(shù)。有時(shí)，技術(shù)的進(jìn)步使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商得以改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)，這樣帶來(lái)的總收益比逐個(gè)提升網(wǎng)絡(luò)組件的方式要大。

  在過(guò)去的十年中，基于數(shù)字相干檢測(cè)的光傳輸技術(shù)通過(guò)提高傳輸容量而顯著提高了每比特成本。為了獲得更高的容量，供應(yīng)商增加了組件的帶寬、利用高階調(diào)制，并改進(jìn)了算法，例如前向糾錯(cuò)(FEC)。同時(shí)，CMOS工藝和集成光子技術(shù)的進(jìn)步使得更小的可插拔封裝和更低的功耗成為可能。

  隨著相干接口從笨重的分離式解決方案演進(jìn)到可插拔方案，相比數(shù)據(jù)中心使用的客戶(hù)端光模塊，傳輸網(wǎng)絡(luò)中使用的光模塊通常存在密度不夠的問(wèn)題。運(yùn)營(yíng)商試圖通過(guò)用更大的封裝尺寸來(lái)提供更高的數(shù)據(jù)速率以克服這一問(wèn)題，但這種方式仍然需要定制用于光傳輸應(yīng)用的硬件。長(zhǎng)期以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商一直希望傳輸光模塊具有與客戶(hù)端光模塊相同的速率和封裝，就像10G網(wǎng)絡(luò)可以使用SFP+封裝實(shí)現(xiàn)一樣。

  傳輸光模塊采用與客戶(hù)端相同的封裝對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)是有益的，因?yàn)檫@樣可以部署更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)降低成本。結(jié)合近來(lái)開(kāi)放線路系統(tǒng)的行業(yè)趨勢(shì)，這些傳輸光模塊可以直接插入路由器使用而無(wú)需外部傳輸系統(tǒng)。這樣可以簡(jiǎn)化控制平臺(tái)，同時(shí)降低成本、功耗和占地面積。

  隨著一些超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始規(guī)劃400G架構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可以解決120km以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)中心互連(DCI)的機(jī)會(huì)。在這樣的背景下，光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇(OIF)于2016年啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，旨在標(biāo)準(zhǔn)化可互操作的相干光器件接口，其功率預(yù)算可以支持QSFP-DD和OSFP之類(lèi)的封裝，以期用于部署400G客戶(hù)端光模塊。OIF建議的這些封裝聚焦于可以犧牲性能的特定應(yīng)用，因?yàn)槠湫枰獫M足15W模塊功率目標(biāo)。

  OIF證明了相干的互操作標(biāo)準(zhǔn)是可能的，并且其提出的400ZR解決方案在業(yè)界得到了推動(dòng)。同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商證明，這些高密度封裝的熱性能還有提升的空間，允許DSP和模塊運(yùn)營(yíng)商讓采用這些封裝的光模塊支持附加功能和提供更高的性能。在OIF成功的基礎(chǔ)上，其他標(biāo)準(zhǔn)組織(例如Open ROADM)為包括附加功能和更高的性能的數(shù)據(jù)中心互連以外的應(yīng)用定義了標(biāo)準(zhǔn)。Open ROADM專(zhuān)為需要支持其他協(xié)議來(lái)增加開(kāi)銷(xiāo)位的比率的基于OTN的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)。

  針對(duì)基于以太網(wǎng)的光傳輸網(wǎng)絡(luò)，OpenZR+可以提供增強(qiáng)的功能和性能，同時(shí)降低了復(fù)雜性、功耗和實(shí)施成本。在OIF和Open ROADM的基礎(chǔ)上，OpenZR+讓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在不犧牲模塊之間互操作性的情況下獲得這些好處。本文將討論一些可以從OpenZR+受益的特定案例。

  oFEC是符合OpenZR+ MSA的數(shù)字相干光學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。oFEC引擎是基于塊的編碼器和反復(fù)的軟決策(SD)解碼器。經(jīng)過(guò)3次SD迭代，凈編碼增益在BER 1E-15(DP-QPSK)情況下為11.1dB，在BER 1E-15(DP-16QAM)情況下為11.6dB，pre-FEC BER閾值為2E-2。編碼器和解碼器的總延遲小于3μs。更高的增益FEC允許OpenZR+模塊實(shí)現(xiàn)更大的傳輸距離并克服鏈路障礙，例如狹窄的濾波或分散效應(yīng)，而低延遲則在各種接入網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中都是有益的。

  相對(duì)于400ZR，400G OpenZR+ MSA規(guī)范的主要優(yōu)點(diǎn)是：

  4×100GE多路復(fù)用模式

  長(zhǎng)距離傳輸性能模式

  擴(kuò)展了暗光纖應(yīng)用的傳輸距離

  4x100GE多路復(fù)用

  在所有路由器尚未遷移到400GE的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中，在OpenZR+光模塊中部署4x100GE多路復(fù)用非常有價(jià)值。這種4x100GE模式可以讓支持400GE功能的路由器和具有100GE功能的路由器互通。采用這種布局的例子如下所示。承載400G OpenZR+光模塊的4x100GE多路復(fù)用器可以將路由器上的400G OpenZR+接口分支連接到遠(yuǎn)端路由器上的4個(gè)100GE QSFP28端口。

  適用于400G OpenZR+的4×100GE用例

  應(yīng)用于長(zhǎng)距離傳輸?shù)腛penZR+

  隨著相干技術(shù)的發(fā)展使得400G DWDM可以通過(guò)QSFP-DD光模塊的封裝實(shí)現(xiàn)，我們需要提出如下關(guān)鍵問(wèn)題：

  我們需要哪種類(lèi)型的線路系統(tǒng)?

  我們真的可以將400G OpenZR+應(yīng)用于長(zhǎng)距離傳輸嗎?

  對(duì)于各種OpenZR+模式，我們可以獲得哪些類(lèi)型的傳輸距離?

  OpenZR+的線路系統(tǒng)

  為了理解線路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的含義，我們應(yīng)該搞清楚我們部署的相干OpenZR+發(fā)射器和接收器有哪些要求。

  影響終端站點(diǎn)分插復(fù)用器的OpenZR+的關(guān)鍵發(fā)射器規(guī)格如下：

  400G OpenZR+模式的發(fā)射功率為-10dBm。這樣較低的發(fā)射功率需要在分插復(fù)用器的“插”路徑上添加放大器。

  波特率為60GBd/s。為實(shí)現(xiàn)該條件，分插復(fù)用器和終端必須支持至少75GHz的帶寬。在大多數(shù)基于耦合器或基于無(wú)熱陣列波導(dǎo)光柵(AAWG)的分插復(fù)用器和波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS)模塊中。

  帶外的光信噪比(OSNR)為23dB。低帶外OSNR的環(huán)境下難以使用耦合器，所以首選濾波片式的分插復(fù)用器。

  針對(duì)OpenZR+的影響終端站點(diǎn)分插復(fù)用器的關(guān)鍵的接收器規(guī)格如下：

  接收器噪聲限制的功率靈敏度為-12dBm。要實(shí)現(xiàn)該條件，在多路分插復(fù)用器的“分”的部分可能需要一個(gè)放大器。

  下圖總結(jié)了400G OpenZR+的典型線路系統(tǒng)布局。

  OpenZR+的分插和終端布局

  在長(zhǎng)距離傳輸應(yīng)用中，大多數(shù)線路系統(tǒng)都使用可重新配置的光分插復(fù)用器(Flex-grid ROADM)以Nx6.25GHz的增量實(shí)現(xiàn)信道規(guī)劃的靈活性，并采用EDFA和反向傳播拉曼放大器的混合配置來(lái)最大化鏈路的OSNR。

  為了在這樣的基礎(chǔ)架構(gòu)上啟用400G OpenZR+，我們需要使用適當(dāng)?shù)姆植褰Y(jié)構(gòu)。以下是存在的一些分插選項(xiàng)：

  插入損耗小于6dB的32通道150GHz間隔的AAWG

  插入損耗小于6dB的48通道100GHz間距的AAWG(發(fā)射和接收方向上配置EDFA)

  插入損耗小于6dB的64通道75GHz間距的AAWG(發(fā)射和接收方向上配置EDFA)

  插入損耗為10dB至12dB的6至10通道耦合器

  操作員需要做的是使用Mux或AAWG配置好終端，并使其OSNR大于32dB。

  長(zhǎng)距離傳輸性能模擬

  在本節(jié)中，我們將回顧幾種不同樣本的線路系統(tǒng)的性能。

  常見(jiàn)的假設(shè)是80km的G652 SMF28區(qū)間和GN模型，以考慮線性和非線性光信噪比促成的作用。在此設(shè)計(jì)中考慮了商用9端口或20端口Flex-grid WSS，可變?cè)鲆鍱DFA和1W的反向傳播拉曼放大器。放大器還嵌入了中級(jí)DGE，以管理拉曼放大器帶來(lái)的增益紋波。

  EDFA放大器在5.5dB的噪聲系數(shù)下工作，采用EDFA和拉曼放大器的鏈路的綜合噪聲系數(shù)為0.6dB。

  OpenZR+ MSA規(guī)范中描述了光模塊接收器的性能指標(biāo)，其中需要考慮的關(guān)鍵方面如下：

  (1)背靠背終止OSNR容限——400G@24dB，300G@21dB，200G@16dB和100G@12.5dB;

  (2)OSNR損耗為0.5dB時(shí)的最大色散補(bǔ)償——400G為20,000ps/nm，300G為40,000ps/nm，200G為50,000ps/nm，100G為100,000ps/nm;

  (3)OSNR損耗為0.5dB時(shí)的最大偏振模色散(PMD)——400G為20 ps，300G和200G為25ps，100G為30ps;

  (4)OSNR損耗為1.3dB時(shí)最大的偏振相關(guān)損耗(PDL)為3.5dB;

  (5)100GHz信道間隔的濾波損耗和串?dāng)_損耗可忽略不計(jì)。

  僅采用EDFA放大器時(shí)，可以提高的OSNR損耗預(yù)算為1.5dB;同時(shí)采用EDFA和拉曼放大器時(shí)，可以提高的OSNR損耗預(yù)算為2dB。

  示例1：僅部署EDFA放大器的480km單模光纖網(wǎng)絡(luò)

  讓我們以采用康寧G.652 SMF28光纖和EDFA放大器實(shí)現(xiàn)包含0.22dB/km的6個(gè)80km跨度的總跨度在480km以上的光纖鏈路為例。所使用的分插結(jié)構(gòu)是48通道100GHz AAWG濾波器。

  僅部署EDFA放大器的6x80km G.652 SMF28光纖鏈路

  通過(guò)發(fā)射端帶內(nèi)OSNR、分插串?dāng)_、分插EDFA ASE噪聲、終端WSS濾波和功率型EDFA噪聲提供至少32dB的OSNR。

  整個(gè)鏈路的OSNR計(jì)算方式如下：

  注意：

  NF=放大器的噪聲系數(shù)(以dB為單位)

  引腳=放大器的輸入功率(單位為dBm)=放大器的發(fā)射功率(單位為dBm)–跨度損耗(單位為dB)

  eta=信道功率為1mW參考值時(shí)的非線性O(shè)SNR(單位為dB)。當(dāng)OSNR以光功率的平方(使用dB單位時(shí)為2倍)縮放時(shí)，eta的每一個(gè)不同功率都會(huì)產(chǎn)生非線性噪聲。eta是根據(jù)光纖參數(shù)、波特率和使用的信道間隔來(lái)計(jì)算的。

  在最壞情況下(老化、溫度、頻率、大樣本量、接收功率為-12dBm)24dB的背靠背OSNR容限和1.5dB的傳輸損耗時(shí)，留有0.44dB的余量。

  示例2：部署EDFA和拉曼混合放大器的1040km單模光纖網(wǎng)絡(luò)

  讓我們以采用康寧G.652 SMF28光纖和EDFA放大器實(shí)現(xiàn)包含0.22dB/km的13個(gè)80km跨度的總跨度在1040km以上的光纖鏈路為例。所使用的分插結(jié)構(gòu)是48通道100GHz AAWG濾波器。

  部署EDFA和拉曼放大器的13x80km G.652 SMF28光纖鏈路

  通過(guò)發(fā)射端帶內(nèi)OSNR、分插串?dāng)_、分插EDFA ASE噪聲、終端WSS濾波和功率型EDFA噪聲提供至少32dB的OSNR。

  整個(gè)鏈路的OSNR計(jì)算方式如下：

  在最壞情況下(老化、溫度、頻率、大樣本量、接收功率為-12dBm)24dB的背靠背OSNR容限和2dB的傳輸損耗時(shí)，留有0.04dB的余量。

  小結(jié)

  下面總結(jié)了各種OpenZR+模式在SMF28光纖上的性能結(jié)果。

  結(jié)論

  OpenZR+ MSA提供了一個(gè)可以插入一系列路由、交換機(jī)或光傳輸主機(jī)平臺(tái)中的數(shù)字相干光模塊。通過(guò)400G、300G、200G和100G模式，也可以解決長(zhǎng)距離傳輸應(yīng)用。4x100GE多路復(fù)用模式允許通過(guò)DWDM鏈路連接支持400GE和100GE的設(shè)備。